汽车后桥壳机械胀形方案设计和有限元模拟

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1、汽车后桥壳机械胀形方案设计和有限元模拟　　摘要：近几年来，我国的国民经济高速发展，与此同时，作为国民经济的支柱产业，汽车制造业也得到了迅猛的发展，超过美国，成为世界第一产销国。汽车的桥壳是整车的一个非常重要部件，它的质量对整车的性能响很大，因此对桥壳生产工艺进行有效的优化、改进是非常必要的。关键词：机械后桥壳，机械胀形，数值模拟中图分类号：U652.7+2文献标识码：A1前言驱动桥是汽车和轮式工程机械底盘传动系的主要组成部分，而桥壳则是驱动桥的基体，它将车辆重量传给车轮，又将作用在车轮上的各种力传到车架上，因此，桥壳是车辆的主要受力部件，应有足够的强度和刚度。同时，还应结构简

2、单，成本较低，质量轻，易于拆装和维护。汽车桥壳的生产方法有很多种，有液压成形工艺、冲压—焊接成形工艺、整体铸造成形工艺和机械胀形工艺，其中机械胀形工艺分为机械常温胀形工艺和机械热胀成形工艺。桥壳的实际生产要求尽量降低成本，保证其机械性能，同时还要尽量缩短研发周期。有限元模拟与实际经验相结合能行而有效的解决上述问题，并且有助于新工艺、新技术的研究更加迅速8地发展。2机械胀形与有限元理论2.1机械胀形工艺简介机械胀形工艺是一种新兴的加工方法，与挤压成形有相似的地方，都是通过介质或模具对工件作用。实际生产中的胀形主要是对管材进行加工，在适当位置对管材进行开孔（一般采用冲孔或者切割方

3、法），孔的尺寸要根据图纸要求确定。有的胀形方法中不需要放入扩胀芯，直接利用凸模对管材孔进行胀形，主要是利用凸模随着高度增加截面形状尺寸发生变化，这种尺寸上的变化在加工过程中会导致与之接触的坯料在极小区域内的金属因为所接触的凸模截面尺寸不同而发生相运动，产生相对位移，宏观上就是产生变形，进而实现对工件的加工；而有的胀形方法需要在管材孔中放入扩胀芯，然后利用凸模截面形状尺寸变化对扩胀芯作用，使扩胀芯运动，扩胀芯与管材接触，通过扩胀芯的运动使管材发生变形，对管材进行扩张变形，从而得到所需要的加工形状及尺寸。胀形方法种类很多，如果按照模具可将胀形分为软模和刚性模胀形两种。按照胀形成形

4、条件的不同，可以分为自然、轴向压缩及复合胀形三类。2.2机械胀形工艺难点8机械胀形的工艺难点主要在于管材、模具及工艺参数的确定。管材参数确定主要包括两方面，分别是材质和形状尺寸。模具参数除了材质，主要是指模具形状尺寸，有些位置结合实际需要还要进行特殊处理，确定主要由坯料和工件尺寸，加工方法，以及加工过程来确定。工艺参数有很多，其中比较主要的包括加工温度、加工速度。2.3有限元法介绍有限元方法最早起源于结构分析的研究中，正是因为有限元的理论依据具有普遍性，在各个工程领域中的许多问题的求解都可以使用，甚至可以求解任何具有连续介质和场的问题，如流体力学、传热、电磁场等。有限元法是将

5、数学方法和工程问题相结合而得到的一种数值计算方法，根据变分原理来解决数学物理问题，其解决问题能力远远超过解析法。由于有限元法灵活性很大，因此形状结构复杂和边界条件不规则的结构都可以通过它进行分析求解，适当的增加单元个数，便能精确所求出的近似解。3桥壳的尺寸要求与机械胀形方案设计3.2两种桥壳的尺寸和技术要求本文的典型件桥壳选取的材料为16CrMo4，壁厚为16mm，中间开孔形状为圆角方形，如图3-1所示。图3-1桥壳图纸3.3管材坯料的形状尺寸设计计算8管材坯料选择热轧无缝方管坯，第一种桥壳选择截面形状尺寸为160m×148mm×16mm的方管，倒圆角半径为25mm。管材坯料

6、的槽孔尺寸计算如下：根据图纸可以计算成形后琵琶孔的周长，为方便计算，将其近似为六边形，取两条平行边边长为a1，其余四条边为b1，则周长为L1=2a+4b由图纸得，a=160mm，b=195mm，故L=1100mm。桥壳琵琶孔有宽度为28.5mm的内沿，在变形过程中，该宽度并不发生变化。取管的厚度为x1，内沿为y1，管的宽度为z1，则槽孔的宽度为M=z-2x-2y由图纸得，z=148mm，x=28.5mm，y=16mm，故M=59mm。为方便胀形后将琵琶形的孔焊成圆角方形，胀形后的斜边要接近一条直线，所以槽孔的两端需有一定的斜度并采用较小的圆角过渡，但不能采用尖角相交，否则在胀

7、形的过程中引起应力集中，而产生裂纹。故在槽孔的两端采用半径为5mm的圆弧进行过渡。如图3-2所示。图3-2管坯三维图3.4机械胀形方案设计机械胀形按照加工温度区分可分为机械冷胀成形和机械热胀成形8两种工艺。冷胀成形是指温度在常温下所进行的胀形加工工艺，而热胀成形则是在高温条件下。由于本文的两种桥壳需要的变形力并不是很大，从降低生产成本的因素考虑，选择冷胀成形工艺。按照有无芯块可将机械胀形工艺分为有芯块胀形和无芯块胀形。按照有无芯块可将机械胀形工艺分为有芯块胀形和无芯块胀形。其中有芯块胀形主要是利用凸模（